外差(相干)探测系统 2013426

1、外差外差( (相干相干) )探测系统探测系统 光频外差探测的基本原理 直接检测与外差检测 实验目的 通过实验测量光拍的波长和频率来确定光速光拍的波长和频率来确定光速； 掌握光拍频法测量光速的原理和实验方法； 学习本实验的实验思想和技巧。 问题1：光的本质？ 光是一种频率很高的电磁波，其频率达到 14 10 Hz 问题2：如何计算波的速度？ 波速公式：vfl=g 由公式可知，要测量光速的方法之一是测量出测量出 光的波长和频率光的波长和频率。 实验原理 光的频率很高，远高于电子仪器的反频率很高，远高于电子仪器的反 应速度，因此电子仪器无法直接测出光应速度，因此电子仪器无法直接测出光 的波长和频率的

2、波长和频率。 问题3：能不能直接测量出光的波长和频率？ 思考提示：把光变成含有低频成份变成含有低频成份 而速度又不变的波（即而速度又不变的波（即“光拍光拍”）， 那么测出这个低频的波速，也就测出了光速。 问题4：如何用电子仪器来测量光的波长和频 率？ 原理：根据振动叠加原理叠加原理，两列速度相 同、振面相同、频差较小频差较小而同向传播同向传播的简谐 波的叠加即形成拍拍。 问题5：如何将光信号变成含低频成份的“光 拍”信号？ 1111 2222 cos() cos() EEtk x EEtk x 式中 为波数， 为 初位相。 这二列波叠加的结果为： 1122 2/和2/kk 12 和 设有两列振

3、幅相同、频率分别为f1和f2，且 频差f= f1-f2很小的二列波： 1212 1212 2cos() 22 cos() 22 s x EEt c x t c 合成波是角频率为 振幅为 的带有 低频调制的高频波低频调制的高频波，合成波的振幅是时间和空振幅是时间和空 间的函数间的函数，以频率为 周 期性地变化的行波，是拍频”，如图。 12 ()/(22 )fwwpD=- fV 12 () / 2 1212 2cos() 22 x Et c 11 2/c wt E=E1+E2 1212 2cos() 22 x Et c 12 ()/2 f 光速公式cfl= DgV 注意到 的振幅以频率 周期地变

4、化，所以我们称它为拍频波， 就 是拍频 根据信噪比的定义，输出信噪比为 ii ii iii i o o O ns ns nns s n s SNR /21 / 2 2 2 2 p 若（si/ni）1，则有 输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信躁比 损失不大，适宜于强光探测 2 )/()/( iioo nsns )/( 2 1 )/( iioo nsns 光谱滤波：基于目标辐射的波长与背景 辐射波长之间的差别，利用光谱滤波法滤波法 消除背景辐射的干扰 减小探测器的面积 场镜：在调制盘及探测器之间插入一 个透镜，它能把视场边缘的光线折向 光轴，使得焦平面上每一点发出的光 线都充满探测器；

5、光锥：起到减小探测器面积的作用。 探 测 器 a b 该方法将包含有被测信息 的和作为基 准的，在满 足条件下在光电 探测器上进行。探测 器输出的是频率为两光波 光频差的 该信号包含有 、频率和相位、频率和相位。通过 检测拍频信号最终调制出 被传送的信号 利用光的干涉原理 fS-fL 设入射到探测器上的信号光场为： 本机振荡光场为： 入射到探测器上的总光场为： 0 cos ssss EtEt 0 cos LLLL EtEt 00 coscos sssLLL E tEtEt ； :量子效率； :光子能量； : 差频。 式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于12。 第三项（和频项）是余弦函数的

6、平均值为零。而第四项（差频 项）相对光频而言，频率要低得多。 当差频 低于光探测器的截止频率时，光探测器就 有频率为 的光电流输出。 /q hh sL 2/ sL 2/ sL 2 22222 00 coscos psLsssLLL i tE tE tE tEtEt 0000 coscos sLLssLsLLsLs E EtE Et 光探测器输出的光电流 从数学运算和相应物理过程考虑： 光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤 出，最后只剩下中频交流分量： LsIFLs Ls EE EE icos 22 22 LsIFLsIF EEicos(8.1 - 6) (8.1 - 5) 如果把信号的测

7、量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以C为中心频率的带通滤波器带通滤波器的瞬时瞬时中频电流为： sLsLLsC tAAticos 中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为： sLsLLLsLCC tRAARtitVcos 中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： LLs L C C RPP h e R V P 2 _ 2 2 当L-s=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为： sLLsC AAticos 这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 探测能力强：光波的振幅、相位及频率的变化光波的振幅、相位及频率的变化 都会引起光电探测器的输出都会引起光电探

8、测器的输出，因此外差探测不外差探测不 仅能够检测出仅能够检测出振幅振幅和和强度强度调制的光波信号，而调制的光波信号，而 且可以检测出且可以检测出相位相位和和频率频率调制的光信号调制的光信号 基本特性基本特性 1. 高的转换增益高的转换增益 信号光功率， 本振光功率与相应电场振幅的关系为 2 2 1 2 1 2 ss LL PE PE (8.1 - 8) (8.1 - 9) 而中频电流输出对应的电功率为 2 IFIFL Pi R (8.1 - 10) 式中RL是光电探测器的负载电阻。 把式(8.1 - 6)代 入式(8.1 - 10)， 并利用式(8.1 - 8)和(8.1 - 9)， 有 22

9、 2 4cos () 2 IFsLIFsLL sLL PPPtR PR R (8.1 - 11) 这里的横线是对中频周期求平均。 LsIFLsIF EEicos 在直接探测中， 探测器输出的电功率 222 LsLsL Pi RP R(8.1 - 12) 在两种情况下， 都假定负载电阻为RL。 光频外差探测，就是把以 为载频的光频信息 转换到以 为载频的中频电流上。 s IF 转换增益： s L L IF P P P P G 2 通常PLPs,故转换增益G1： 光频外差探测具有光频外差探测具有天然的探测微弱信号的能力天然的探测微弱信号的能力 相干探测中本征光的功率PL远大于接收到的信号光功率 P

10、S,通常是高几个数量级，因此G可高达可高达107108数量级数量级 2. 良好的滤波性能良好的滤波性能 在直接探测中， 为了抑制杂散背景光的干扰， 都 是在探测器前加置窄带滤光片。 例如， 滤光片的带宽 为1 nm(这已经是十分优良的滤光片了)， 即=1 nm。 它所相应的频带宽度(以=10.6 m估计) 9 2 3 10 C fHz (8.1 - 15) 在外差探测中， 情况发生了根本变化。 如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带f， 即 2 sL IF sL f ff (8.1 - 16) 外差探测具有更窄的接收带宽外差探测具有更窄的接收带宽，即对背景光有良好，即对背景光有良好 的滤波性能

11、。的滤波性能。 滤波性能好 形成外差信号，要求信号光和本征信号空间严 格对准，而背景光入射方向是杂乱无章的，偏 振方向也不确定，不能满足外差空间调准要求， 不能形成有效的外差信号，因此该方法可以滤滤 掉背景光掉背景光 同时通过检测通道的通频带通频带刚好覆盖有用的外 差信号的频谱范围，这样杂散光形成的拍频信 号也可以被滤掉 3. 良好的空间和偏振鉴别能力良好的空间和偏振鉴别能力 信号光和本振光必须沿同一方向射向光电探测器， 而且要保持相同的偏振方向。 这就意味着光频外差探测装置本身就具备了对光光频外差探测装置本身就具备了对光 方向的高度鉴别探测能力和对光偏振方向的鉴别探测方向的高度鉴别探测能力和

12、对光偏振方向的鉴别探测 能力。能力。 两者具有高度的单色性和频率稳定度高度的单色性和频率稳定度,如果信号 光和本征光的频率相对漂移很大，两者频率之差两者频率之差 就可能大大超过中频滤波器的带宽就可能大大超过中频滤波器的带宽 通常两束光取自同一激光器，通过频率偏移取得 本征光，信号光通过调制得到信号光通过调制得到 为了形成外差检测的光频差光频差，采用频率调制频率调制方法 运动参量调频： 固定频移 对运动参量进行检测时，被测运动参量直被测运动参量直 接对参考光波的频率进行调制接对参考光波的频率进行调制，形成与参 考光有一定频差的信号光，这种频率调制 方法称为参量调频法 利用多普勒效应多普勒效应-运动物体能改变入射到其 上的光波的频率，即频率为f0的单色光入射到速 度为v的运动物体上，被物体散射的光波频率散射的光波频率fs 会产生多普勒频移会产生多普勒频移。 使用频移器件使参考光波相对信号形成一固定的 频率偏移 采用声光效应声光效应激光频移 声光器件中以频率为f的超声波交变信号 激励换能器，在透明介质内形成折射率 的周期变化；若满足布拉格衍射布拉格衍射的条件， 将会产生一级衍射光。一级衍射光与零 级衍射光频率产生频移频移，可分别作为参 考光和信号光 声波声波 2 ss 各级衍射光波将产生多普勒频移各级衍射光波将产生多普勒频移，